用於蒸餾分離三種或多種組分混合物的方法和裝置與流程

2023-05-22 05:28:41

用於蒸餾分離三種或多種組分混合物的方法和裝置本發明涉及一種將三種或多種組分的混合物蒸餾分離為其組成部分的方法，還涉及一種通過適當使用和連接兩個或更多個蒸餾塔實施所述方法的裝置。為了熱分離相對揮發度不同和/或互溶物質的混合物，在化學工程中通常使用蒸餾方法。蒸餾是熱分離方法範圍中的一部分。可使用各種工藝變化對多組分混合物實施連續蒸餾分離。在最簡單的情況下，將一種低沸化合物和一種高沸化合物組成的混合料分餾為其兩種組成部分。待分離的混合物被引入蒸餾塔的頂部和底部之間。進料口將塔分成提餾部分和精餾部分。將高沸餾分從塔底部排出。所述餾分中的一些被蒸發並流回(例如通過自然循環)至塔中，以加熱該塔。低沸餾分在塔頂部以蒸汽存在並在冷凝器中被液化。一些這樣的冷凝物循環回塔中並向下流動，作為與上升的蒸汽逆流的回流。然而，在將由多組分混合物組成的混合料分離為超過兩種餾分時，需要使用兩個或更多個常規蒸餾塔。在簡單的情況中，N個組分的混合物需要N-1個蒸餾塔。圖1顯示了用於分離包含低沸化合物A、中沸化合物B和高沸化合物C的三組分混合物ABC的a/c路徑。當中沸化合物在進料中的比例最大時，優選使用a/c路徑。在此情況下，所述a/c路徑表現了能量最優狀態。在第一個塔中的分離使得頂部產物不含有高沸化合物C，並且底部產物不含有低沸化合物A。中沸化合物B同時存在於第一個塔的頂部餾分和底部餾分中。每個餾分AB和BC在下遊塔中被分餾為純產物A、B、C。因此該轉化需要三個分離步驟。替換連接兩個或更多個蒸餾塔的方法是提供分隔壁塔，即、通過在塔的縱向方向設置的垂直的分隔壁來阻止該塔截面上液體和蒸汽流的橫向混合。因此，該塔包括垂直的分隔壁，該分隔壁在塔的部分高度上延伸，並將橫截面分為分割壁的左邊和右邊兩段。圖3顯示了常規的分隔壁塔，其中高沸化合物從底部排出，中沸化合物通過側排口(sidedraw)排出，和低沸化合物通過頂部蒸汽排出。在該情況中，可將例如三種組分混合物分餾為其三種純組成部分，這通常需要兩個常規的塔。標號列表：1進料部分2出料部分3精餾部分4提餾部分5分隔部分設置在塔的縱向方向的分隔壁5將塔內部分為進料部分1、出料部分2、連接在一起的頂部精餾部分33以及連接在一起的底部提餾部分43(黑色)。待分離的混合物的進料口一般位於進料部分1的頂部區域和底部區域之間的中心區域。也可以在進料部分1的頂部區域和底部區域之間配置一個或更多個其他進料口。在出料部分2中，分隔壁的右邊，在頂部區域和底部區域之間設置一個或更多個側排口。也可以在出料部分2的較低區域和最低區域之間配置其他側排口。WO2009092682A1公開了一種蒸餾處理1,5,9-環十二碳三烯(CDT)的方法以及實施該方法的裝置。完成所述目的要從蒸餾處理通過丁二烯的三聚得到的粗CDT的方法開始。用分隔壁塔蒸餾分離作為多組分混合物的粗CDT。所述的分隔壁可由一個板或兩個或更多個連接的單個板組成，將塔從中心部分縱向分隔為進料部分和出料部分。對於可用於分割壁塔中的分隔內部構件，可以使用散堆填料和整裝填料或分離塔板。分隔壁可由鬆散嵌入的片段形成。US6884324B2公開了一種用於濃縮鄰苯二甲酸酐(PA)的塔，所述塔具有兩個蒸餾段，其中在第一蒸餾段從粗PA中蒸餾去除低沸化合物，並且在第二蒸餾段從純PA中去除高沸化合物，這兩個蒸餾段被並排布置並通過垂直壁完全彼此分隔，其中第一蒸餾段的底部與第二蒸餾段的底部連接。第一蒸餾段的底部可通過溢流管連接至第二蒸餾段的底部。同樣地，第一蒸餾段的底部可通過泵連接至第二蒸餾段的底部。因此，現有技術公開了在一個完整系統中使用兩個或更多個具有不同分離功能的蒸餾塔或分隔壁塔，以分離多組分混合物。與常規的兩個串聯的塔相比，使用所述分隔壁塔在運行成本和投資成本上可實現總計節省大約30％。因此與常規的互相連接的蒸餾塔相比，分隔壁塔是優選的。然而，分隔壁塔通常需要比其對應取代的單個裝置具有更大的尺寸。分隔壁塔的結構高度通常至少等於單個裝置中的一個的結構高度並且不高於這些單個裝置的結構高度之和。隨著液壓載荷的變化，分隔壁塔的直徑至少等於單個裝置的最小直徑並且不超過這些單個裝置中的較大直徑。根據分離任務(多組分混合物)，結果可能是極端的結構高度、高的塔直徑、以及由此不利的高資本投資。這些問題引出本發明的目的。本發明的目的是通過蒸餾分離三種或更多種組分的混合物的方法來實現的，所述混合物包括至少一種低沸化合物、至少一種中沸化合物和至少一種高沸化合物；其中三種或更多種組分的混合物被供給第一蒸餾塔中，所述第一蒸餾塔連接第二蒸餾塔以便於傳質，其中第二蒸餾塔包括將第二蒸餾塔分為提餾部分和精餾部分的水平分隔壁，其中第二蒸餾塔連接第三蒸餾塔以便於傳質，其中包括至少一種高沸化合物的底部餾分和包括至少一種低沸化合物的頂部餾分被從第二蒸餾塔中去除，其中至少一種中沸化合物被從第三蒸餾塔的側排口去除。對於本發明的目的，連接以便於傳質被理解為是指在各種情況下塔之間有適當進料和回料管。將三個塔(其中一個包括將該塔分隔為提餾部分和精餾部分的水平分隔壁)連接以便於傳質，其中兩個沒有分隔壁的塔可被有效地認為是分隔壁塔的左手部分和右手部分。三種或更多種組分的混合物被供給第一塔，該第一塔可被認為是分隔壁塔的左手部分。第一塔的蒸汽進入第二塔，該第二塔通過水平分隔壁(例如分隔板)被分隔為提餾部分和精餾部分。在所述的第二塔中去除包括至少一種低沸化合物的頂部產物以及包括至少一種高沸化合物的底部產物。在可被認為分隔壁塔的右手部分的第三塔中，通過側排口排出包括至少一種中沸化合物的目標產物。本發明目的還通過蒸餾分離三種或更多種組分的混合物的裝置來實現，其包括彼此連接以便於傳質的三個蒸餾塔，其中蒸汽從第一蒸餾塔流通連接第二蒸餾塔的精餾部分，並且第二蒸餾塔的精餾部分流通連接第三蒸餾塔的蒸汽，並且來自第一蒸餾塔的底部排出物流通連接第二蒸餾塔的提餾部分，並且第二蒸餾塔的提餾部分流通連接第三蒸餾塔的底部，其中第二蒸餾塔包括水平分隔板，其中第三蒸餾塔包括一個或更多個在頂部排出口之下並在底部排出口之上的側排口。對於本發明的目的，流通連接被理解為是指在各種情況下在塔之間有適當進料和回料管。因此，本發明涉及一種裝置構造，其中附加塔與兩個現有的塔互相連接從而使實現連接，以便於傳熱和傳質。在第二蒸餾塔的內部，精餾部分優選通過水平不滲透板從提餾部分分離。關於操作模式，本發明可與分隔壁塔的原理相比較，然而其裝置的設計不同，特別是由於當使用了具有水平分隔板的插入塔，塔中不需要垂直分隔板。每個塔在空間分離的位置上具有至少兩個與另一個塔連接的連通裝置，由此完成兩個塔的連接，以便於傳質。這樣的塔配置就能量需要而言和具有相同塔板數的單個分隔壁塔是相等的。用該配置可實現大量能量的節省；而且與新開發的常規單個分隔壁塔相比，所述配置的投資成本更低，因為可使用現有的塔，且只需要獲得一個其他的塔(其尺寸和新的分割壁塔相比較相當小)。其原因是分隔壁塔的提餾部分和精餾部分一般具有較少的塔板。此外，在所述配置中意圖相應於所述分隔壁部分的兩個塔在所述配置中保留完整的直徑。與分隔壁塔相比，這明顯提高了設備能力，所述分隔壁塔的直徑僅等於兩個單個塔中的一個。因此在很多情況下，所述配置的投資成本比具有相同的分離性能和能力的相等的分隔壁塔的投資支出更低。這使得本發明對改進有吸引力，其中在設備能力被提高的同時，所需的具體能量被降低。低沸化合物餾分和高沸化合物餾分被從具有水平分隔壁的蒸餾塔中取出。具有水平分隔壁的第二分離塔優選配置專用蒸發器和冷凝器。調節塔的操作壓力以保持預定的流動方向。三種或更多種組分的混合物優選為包括氯矽烷的混合物，或包括甲基氯矽烷的混合物。優選的混合物來自TCS或MCS(TCS＝三氯矽烷，MCS＝甲基氯矽烷)的合成或來自多晶矽的沉積。優選的混合物由包括TCS、STC、DCS和微量其他雜質(甲基氯矽烷、烴、高沸化合物)的氯矽烷類化合物組成的混合物，其通過可商購得到的冶金矽與HCl在流化床反應器中在350-400℃下反應獲得。在製備多晶矽的完整系統中，TCS作為粗矽烷在流化床反應器中由冶金矽和HCl產生，或者由冶金矽與STC/H2(STC＝四氯化矽)產生。所述的粗矽烷隨後通過蒸餾/提純被純化形成TCS。從純化的TCS沉積得到多晶矽，以便形成特別是STC。通常，所述的STC隨後被使用(例如通過加氫形成三氯矽烷，或通過燃燒形成細微分散的二氧化矽或矽酸酯)。在由氯矽烷(特別是TCS)和氫的混合物沉積多晶矽期間，除了STC，還會形成高沸氯矽烷的餾分。此處術語「高沸氯矽烷」指的是由矽、氯組成的化合物，在一些情況下還可以有氫、氧和碳，並且其沸點比STC的沸點(在1013hPa下57℃)高。優選二矽烷HnCl6-nSi2(n＝0-4)和優選具有2-4個Si原子的更高的低聚氯代矽烷，以及還有二矽氧烷HnCl6-nSi2O(n＝0-4)和優選具有2-4個Si原子的更高的矽氧烷，包括環狀低聚矽氧烷以及其甲基衍生物。Müller-Rochow法的殘留物(高沸化合物)主要是四氯二甲基二矽烷、三氯三甲基二矽烷和二氯四甲基二矽烷，例如通用組成為Me6-xClxSi2的甲基氯二矽烷。它們可用冶金矽和HCl在至少300℃的溫度下處理。這會導致TCS和STC的形成。多晶矽沉積(西門子法)的廢氣中的高沸化合物主要是通用組成為H6-xClxSi2的氯化二矽烷，以及H6-xClxSi2O的氧化二矽氧烷。此外，所述廢氣還包含TCS、STC和DCS。以下藉助附圖還闡述了本發明優選的實施方案及其與現有技術的不同。附圖說明圖1顯示了根據現有技術的分離三組分混合物ABC的a/c路徑，所述的三組分混合物包括低沸化合物A、中沸化合物B和高沸化合物C。圖2顯示了常規的蒸餾布置，其由包括蒸發器和冷凝器的提餾塔，和包括蒸發器和冷凝器的精餾塔組成。圖3顯示了根據現有技術的用於分離三組分混合物的分隔壁塔。圖4顯示了根據本發明的用於分離三組分混合物的塔配置，其由三個塔組成。圖4中的兩個塔K1和K2通過管道流通連接至塔K3。這裡，塔K1和K2分別對應於等同的分隔壁塔的分隔壁部分的左手邊和右手邊。由提餾部分44(黑色)和精餾部分43組成的塔K3通過水平分隔板被分開。因此，在塔K3中的這兩部分對應於等同的分隔壁塔中連接的提餾部分和精餾部分。當可得到現有的塔系統例如如圖2所示時，優選採用本發明，但將替代使用根據圖3所述的分隔壁塔技術。由於根據圖4的實施方案相當於分隔壁塔，這樣僅需要獲得一個其他的較小的塔，所述較小的塔通過管道連接至兩個現有的塔。此外，所述的新塔額外配置至少一個蒸發器E和至少一個冷凝器C。這樣，當現有的裝置K1和K2不需要進一步修改時，分隔壁塔技術的資本投入被顯著地降低。僅需要考慮連接至塔K3的成本。當塔K3的尺寸合理時，本發明可將設備的生產量提高至現有最大能力的80％。在本發明中所用的蒸餾塔優選配置不同類型的分隔板，例如分隔塔板(例如篩塔板、固定閥門)、散堆填料(包裝體)或整裝填料。內部構件是分離性能和蒸餾塔內壓力下降的重要決定因素。所描述的蒸餾塔優選包括1-200個理論板，該需要的理論板數量取決於質量，例如，待分餾的起始混合物的汙染程度，目標產物的具體純度需求以及多組分混合物中各個組分相對於關鍵組分的相對揮發性。蒸餾塔優選在廢氣壓力為-1～+10巴下、且沸騰溫度為-20～+200℃下操作。關於由兩個或更多個單個裝置組成的完整的蒸餾系統，考慮到經濟方面，所選擇的廢氣壓力可以不同。塔K3優選配置一個或更多個用於供給熱能的蒸發器系統。在常規蒸發器系統中，通過連接器/適配器將一個或更多個熱發電機法蘭連接至每個裝置的塔體。所述塔體優選配置用於第二蒸發器系統的其他連接件。從工程學觀點看，可以使用各種熱發電機設計，但是自然循環蒸發器是優選的。用於蒸發的優選操作介質是水蒸汽和/或不同壓力和溫度等級的導熱油。合適操作介質的選擇主要由經濟方面和可用性來決定。如圖4所示，當蒸餾塔K1和K2與塔K3連接時，優選各個塔的至少一個蒸汽管道直接連接至塔K3的塔體。與塔K3連接的適當的回料管直接連接至塔K1和K2的塔體，這用於回流至這兩個塔K1和K2中。此外，在兩個塔K1和K2底部的液體流經由合適的管道直接通至塔K3的精餾部分中。所述液體流在塔K3的精餾部分中作為回流。來自塔K3的蒸汽通過合適的管道供料回到兩個塔K1和K2中。因此，可使用在塔K1和K2上已存在的法蘭連接件。此外，塔K3優選配置一個或更多個冷凝系統，以便於冷凝蒸汽並由此提供回流體積進入塔K3。將在第一冷凝步驟中未冷凝的組分(由具有相對低沸點的組分和/或惰性氣體組成)優選供給其他冷凝步驟和/或其他處理/另外使用(優選洗滌器系統)。用於冷凝的優選操作介質是冷卻水和/或不同壓力和溫度等級的冷卻滷水。合適操作介質的選擇主要由經濟方面和可用性來決定。塔K1和K2沿其各自的塔套優選包括一個或更多個進料口和產物排出口。根據熱力學設計選擇塔體圓周及高度上的可用位置。實施例和對比實施例對比實施例—常規連接圖2顯示了用於分離三組分混合物的常規蒸餾布置，其包括提餾塔K1以及精餾塔K2，所述提餾塔K1包括蒸發器E1和冷凝器Cond1，而所述精餾塔K2包括蒸發器E2和冷凝器Cond2。物流F由含有氯矽烷的混合物組成，所述混合物具有低沸餾分、中沸餾分和高沸餾分。低沸餾分通過物流D1在塔K1中被去除。物流B1通入第二個塔K2，在該塔中高沸餾分通過物流B2排出，而目標產物(中沸餾分)通過物流D2排出。表1顯示了根據對比實施例在各個分流中單個組分的質量分數。表1物流FD1B1D2B2組分TCS99.5％90％99.9％99.99％99.99％DCS0.5％10％---C1<10ppmw-10ppmw1ppmw300ppmwC2<0.5ppmw10ppmw0.04ppmw0.04ppmw-C3<10ppmw20ppmw---C1-C3為微量雜質，例如甲基氯矽烷、烴和摻雜劑化合物。實施例圖4顯示了根據本發明所述的塔配置的優選實施方案，包括第一塔K1、第二塔K2和第三塔K3，所述第三塔K3包括蒸發器E和冷凝器C。物流F由含氯矽烷的混合物組成，所述混合物具有低沸餾分、中沸餾分和高沸餾分。該物流被引入塔K1中。在塔K3中，低沸餾分(包括DCS和C3)通過物流D被去除。同樣的，高沸餾分(包括C1)通過物流B在塔K3中被去除。在塔K2中，目標產物M(中沸餾分，包括TCS)通過側排口被排出。表2顯示了根據本實施例在各個分流中單個組分的質量分數。表2物流FDBM組分TCS99.5％90％99.9％99.99％DCS0.5％10％--C1<10ppmw-300ppmw1ppmwC2<0.5ppmw10ppmw-0.04ppmwC3<10ppmw20ppmw--可以看出，與對比實施例相比，可省略一個蒸發器和一個冷凝器。